一種三電平功率單元主電路及級聯高壓變頻調速裝置的製作方法

2024-02-04 16:06:15

本發明涉及高壓變頻調速裝置技術領域，尤其涉及一種三電平功率單元主電路及級聯高壓變頻調速裝置。

背景技術：

隨著電力電子技術的快速發展，高壓變頻調速裝置在電力、冶金、石油、化工等領域的得到廣泛應用。高壓變頻調速裝置市場上主要產品有二電平電流源型高壓變頻調速裝置、三電平電壓源型變頻調速裝置和功率單元級聯多電平高壓變頻調速裝置。

由於單個器件的耐壓水平有限，二電平電流源型高壓變頻調速裝置必須採用多個器件串聯構成傳統的二電平結構；由於電網側功率因數低，諧波大，並且隨著工況的變化而變化，補償困難；輸出側需要加裝濾波器，價格昂貴。這類產品的市場競爭力逐漸變弱。

三電平電壓源型變頻調速裝置由於輸出電壓不高的問題，主要應用在一些特殊領域，如軋鋼機、機車牽引、提升機等。這類調速裝置的更大發展有待於更高耐壓功率器件的出現。

由功率單元級聯技術構成的高壓變頻調速裝置，有著諧波小、單元可互換、可批量生產、維護方便等優點，得到了市場的認可，具有很好的發展前景。

目前廣泛使用的單元級聯高壓變頻調速裝置，普遍採用二電平h橋功率單元級聯方式，功率單元主電路如圖1所示(圖1隻是一種實施例，具體使用時可根據使用需求採用類似的電路)，它由一組進線端1a、一個整流電路2a、一組電容濾波電路3a、一組逆變電路4a和一組出線端5a組成。採用二電平h橋功率單元級聯方式，實現門檻比較低，技術比較成熟，為很多變頻廠家和科研單位所掌握。但是二電平h橋功率單元級聯高壓變頻調速裝置通常功率單元數較多，眾所周知，變頻調速裝置的可靠性隨著功率單元數增多而大大降低，同時，較多的功率單元使得變頻調速裝置的體積較大。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種功率單元易於實現、功率單元數較少、結構緊湊，具有單元輸出諧波低、中點電壓波動小、對電網友好、可靠性高的三電平功率單元主電路及級聯高壓變頻調速裝置。

本發明採用如下技術方案：

一種三電平功率單元主電路，包括：

兩個進線端電路，每個所述進線端電路分別用於輸出三相電流；

兩個整流電路，每個所述整流電路分別與一所述進線端電路的三相輸出端耦合；

一個逆變電路，所述逆變電路為三電平h橋，所述兩個整流電路並聯在所述三電平h橋的直流輸入側；

一個出線端電路，所述出線端電路並聯在所述三電平h橋的交流輸出側。

優選的，所述進線端電路包括：

一個三相接線端子，所述三相接線端子的所述三相輸出端包括a相輸出端、b相輸出端及c相輸出端，所述a相輸出端、所述b相輸出端及所述c相輸出端分別與所述整流電路耦合；

第一熔斷器，所述a相輸出端與所述整流電路之間設有所述第一熔斷器；

第二熔斷器，所述c相輸出端與所述整流電路之間設有所述第二熔斷器。

優選的，所述整流電路為由六個二極體構成的三相橋式整流電路，所述三相橋式整流電路包括由三個所述二極體構成的共陽極不控整流電路和由三個所述二極體構成的共陰極不控整流電路。

優選的，所述b相輸出端連接所述共陰極不控整流電路的共陰極。

優選的，所述三電平h橋包括：

兩個二極體鉗位的三電平橋臂，所述三電平橋臂分別為第一橋臂和第二橋臂：

第一電容器組，所述第一電容器組由兩個直流側儲能電容器構成，所述第一電容器組，所述第一電容器組並聯於所述第一橋臂，所述第一電容器組的正極與所述第一橋臂的陽極相連；

第二電容器組，所述第二電容器組由兩個所述直流側儲能電容器構成，所述第二電容器組並聯於所述第二橋臂，所述第二電容器組的正極與所述第二橋臂的陽極相連；

所述第一電容器組和所述第二電容器組的中性點相連；

所述第一橋臂的中點和所述第一電容器組的中性點相連；

所述第二橋臂的中點和所述第二電容器組的中性點相連；所述第一橋臂和所述第二橋臂的中點構成交流輸出點。

優選的，所述第一橋臂的直流輸入側還並聯有兩個濾波電容，所述兩個濾波電容串聯，且所述兩個濾波電容的正極連接所述共陽極不控整流電路的共陽極，所述兩個濾波電容的負極連接所述共陰極不控整流電路的共陰極

優選的，所述出線端電路包括：

一個單相接線端子，所述單相接線端子連接所述第一橋臂和所述第二橋臂的中點。

一種級聯高壓變頻調速裝置，所述級聯高壓變頻調速裝置具有所述的三電平功率單元主電路。

本發明的有益效果：採用兩個整流電路進行整流，由於三電平電路拓撲的特性，逆變電路工作時會出現中點電壓波動的現象，中點電壓的波動影響濾波電容、三電平h橋的選型及使用壽命，採用兩個整流電路進行整流可有效解決中點電壓的波動；

兩個整流電路還能夠配合使用多重化設計的移相整流變壓器，大大改善電網側的電流波形，消除變頻調速裝置對電網的諧波汙染；

三電平逆變電路使得功率單元數更加少、功率單元結構更加緊湊、功率單元更加易於實現及輸出電平數增多，功率單元輸出諧波低，從而對電機絕緣更友好。

附圖說明

圖1為現有技術中，採用二電平h橋功率單元級聯方式的功率單元主電路示意圖；

圖2為本發明一種優選的實施例中，功率單元主電路的示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，下述技術方案，技術特徵之間可以相互組合。

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的說明：

如圖2所示，一種三電平功率單元主電路，包括：

兩個進線端電路1b，每個上述進線端電路1b分別用於輸出三相電流；

兩個整流電路2b，每個上述整流電路2b分別與一上述進線端電路1b的三相輸出端耦合；

一個逆變電路4b，上述逆變電路4b為三電平h橋，上述兩個整流電路2b並聯在上述三電平h橋的直流輸入側；

一個出線端電路5b，上述出線端電路5b並聯在上述三電平h橋的交流輸出側。

在本實施例中，採用兩個整流電路2b進行整流，由於三電平電路拓撲的特性，逆變電路4b工作時會出現中點電壓波動的現象，中點電壓的波動影響濾波電容、三電平h橋的選型及使用壽命，採用兩個整流電路2b進行整流可有效解決中點電壓的波動；

兩個整流電路2b還能夠配合使用多重化設計的移相整流變壓器，大大改善電網側的電流波形，消除變頻調速裝置對電網的諧波汙染；

三電平逆變電路4b使得功率單元數更加少、功率單元結構更加緊湊、功率單元更加易於實現及輸出電平數增多，功率單元輸出諧波低，從而對電機絕緣更友好；

既解決了傳統三電平電壓源型變頻調速裝置輸出電壓不高的問題，又有效解決傳統二電平h橋功率單元級聯高壓變頻調速裝置功率單元數較多的問題

較佳的實施例中，上述進線端電路1b包括：

一個三相接線端子，上述三相接線端子的上述三相輸出端包括a相輸出端、b相輸出端及c相輸出端，上述a相輸出端、上述b相輸出端及上述c相輸出端分別與上述整流電路2b耦合；

第一熔斷器，上述a相輸出端與上述整流電路2b之間設有上述第一熔斷器；

第二熔斷器，上述c相輸出端與上述整流電路2b之間設有上述第二熔斷器。

在本實施例中，三相接線端子x1的r1、s1、t1分別對應a相輸出端、b相輸出端、c相輸出端，三相接線端子x1接有熔斷器f1、f3，三相接線端子x2的r2、s2、t2分別對應a相輸出端、b相輸出端、c相輸出端，三相接線端子x2接有熔斷器f4、f6，兩個進線端電路1b中的熔斷器起保護作用，確保功率單元在發生短路、過流等嚴重故障時切斷與變壓器的連接。

較佳的實施例中，上述整流電路2b為由六個二極體構成的三相橋式整流電路2b，上述三相橋式整流電路2b包括由三個上述二極體構成的共陽極不控整流電路2b和由三個上述二極體構成的共陰極不控整流電路2b。

在本實施例中，兩個整流電路2b由一共十二個二極體d1-d12組成不控整流電路2b，接到三相電壓進線端電路1b。採用兩個整流電路2b進行整流，由於三電平電路拓撲的特性，逆變電路4b工作時會出現中點電壓波動的現象，中點電壓的波動影響濾波電容、逆變電路4b的選型及使用壽命。採用兩個整流電路2b進行整流可有效解決三電平逆變電路4b中點電壓的波動。

兩個整流電路2b應用的另一個突出優點是配合使用多重化設計的移相整流變壓器，大大改善網側的電流波形，基本上消除了變頻調速裝置對電網的諧波汙染。

較佳的實施例中，上述b相輸出端連接上述共陰極不控整流電路2b的共陰極。

較佳的實施例中，上述三電平h橋包括：

兩個二極體鉗位的三電平橋臂，上述三電平橋臂分別為第一橋臂和第二橋臂：

第一電容器組，上述第一電容器組由兩個直流側儲能電容器構成，上述第一電容器組，上述第一電容器組並聯於上述第一橋臂，上述第一電容器組的正極與上述第一橋臂的陽極相連；

第二電容器組，上述第二電容器組由兩個上述直流側儲能電容器構成，上述第二電容器組並聯於上述第二橋臂，上述第二電容器組的正極與上述第二橋臂的陽極相連；

上述第一電容器組和上述第二電容器組的中性點相連；

上述第一橋臂的中點和上述第一電容器組的中性點相連；

上述第二橋臂的中點和上述第二電容器組的中性點相連；上述第一橋臂和上述第二橋臂的中點構成交流輸出點。

在本實施例中，逆變電路4b由igbt1-igbt8共8隻絕緣柵雙極型電晶體(insulatedgatebipolartransistor，igbt)和d13-d16共4隻二極體組成二極體中點箝位三電平h橋；逆變電路4b設有snb1-snb4共4隻吸收電容，吸收電容分別並聯在p、m，m、n2端；上述逆變電路4b的輸出端連接到出線端。三電平逆變電路4b的應用，使得功率單元結構更加緊湊、功率單元易於實現。

採用二極體中點箝位三電平h橋逆變電路4b，通過單元級聯還可以解決三電平電壓源型變頻調速裝置輸出電壓不高的問題。

三電平h橋逆變電路4b的應用，使得功率單元結構更加緊湊、功率單元易於實現，功率單元輸出電平數增多，功率單元輸出諧波低，從而對電機絕緣更友好，本申請的應用，使高壓變頻調速裝置的單元數大幅減少、體積減小，可以大大增強系統的可靠性。

較佳的實施例中，上述第一橋臂的直流輸入側還並聯有兩個濾波電容，上述兩個濾波電容串聯，且上述兩個濾波電容的正極連接上述共陽極不控整流電路2b的共陽極，上述兩個濾波電容的負極連接上述共陰極不控整流電路2b的共陰極

在本實施例中，上述的逆變電路4b的輸入端連接到濾波電容上，上述的c1、c2共兩組濾波電容分別並聯在對應整流電路2b的輸出端，兩組濾波電容串聯連接，實際應用時，每個整流電路2b對應的上述濾波電容可由電容濾波電路3b替換，電容濾波電路3b可由若干個電解電容器通過串、並連接得到，即電容濾波電路3b可以採用電解電容也可以採用無極性薄膜電容，根據實際需要，通過電容的串聯、並聯組合成需要的電容器組。

逆變電路4b設有4隻吸收電容，吸收電容分別並聯在p、m，m、n2端，吸收電路主要用於吸收igbt導通瞬間產生的過電壓，對igbt器件起到保護作用。

三電平逆變電路4b中點電壓的波動影響濾波電容、igbt的選型及使用壽命，採用兩個整流電路2b進行整流可有效解決中點電壓的波動。

較佳的實施例中，上述濾波電容為有極性電極。

較佳的實施例中，上述出線端電路5b包括：

一個x3單相接線端子，上述單相接線端子連接上述第一橋臂和上述第二橋臂的中點。

一種級聯高壓變頻調速裝置，上述級聯高壓變頻調速裝置具有上述的三電平功率單元主電路。

通過說明和附圖，給出了具體實施方式的特定結構的典型實施例，基於本發明精神，還可作其他的轉換。儘管上述發明提出了現有的較佳實施例，然而，這些內容並不作為局限。

對於本領域的技術人員而言，閱讀上述說明後，各種變化和修正無疑將顯而易見。因此，所附的權利要求書應看作是涵蓋本發明的真實意圖和範圍的全部變化和修正。在權利要求書範圍內任何和所有等價的範圍與內容，都應認為仍屬本發明的意圖和範圍內。